Recyclage des déchets de coquillages pour des matériaux cimentaires à haute performance et faible impact environnemental

Recycling of seashell wastes for high performance and low environmental impact cementitious materials

• Auteur / Autrice : Andrew Wilson
• Direction : David Gregoire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 13/11/2024
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Fluides Complexes et leurs Réservoirs
• Jury : Président / Présidente : Siavash Ghabezloo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Gregoire, Susan A. Bernal, Marie Salgues, Nassim Sebaibi, Mohammed Sonebi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nassim Sebaibi, Mohammed Sonebi

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux cimentaires

La durabilité

Recyclage de déchets

Formulation de coulis de cimentation

Économie circulaire

Matériaux biohybrides

Cementitious materials

Sustainability

Waste recycling

Cementing grout

Circular economy

Biohybride materials

Résumé

Les matériaux cimentaires figurent parmi les plus utilisés dans le monde, faisant de l'industrie de la construction le plus grand consommateur de ressources naturelles telles que le gravier et l'eau. Cette surexploitation conduit à un épuisement rapide de ces ressources. Par ailleurs, l'utilisation du ciment Portland ordinaire (CPO) comme principal liant dans la majorité des matériaux cimentaires aggrave les émissions de CO2 associées à la construction. Ces problèmes vont s'intensifier avec la croissance continue du secteur. Ce projet de thèse vise donc à explorer des matériaux cimentaires alternatifs, innovants et respectueux de l'environnement, répondant aux objectifs de développement durable. Pour atténuer l'épuisement des ressources, des coquilles de mollusques ont été utilisées comme alternative durable aux agrégats naturels. Composées principalement de carbonate de calcium, ces coquilles sont des déchets et présentent des propriétés mécaniques remarquables, les rendant aptes à être utilisées comme agrégats dans les matériaux cimentaires. La valorisation des coquilles de mollusques contribue également à réduire les déchets produits par l'industrie des fruits de mer. Les coquilles de Crepidula Fornicata, Crassostrea Gigas, Pecten Maximus et Pinctada Maxima ont été transformées en divers types d’agrégats à différentes étapes du projet. Pour réduire les émissions de CO2 liées au CPO, du ciment sans clinker activé par des alkalis (AAS) a été utilisé, réduisant ainsi les émissions de CO2 jusqu'à 80% par rapport au CPO. Trois matériaux cimentaires distincts ont été créés pour trois secteurs industriels. Premièrement, des coulis ultra-légers avec une densité spécifique de 1,2 ont été formulés en utilisant des coquilles finement broyées pour la cimentation de puits géothermiques. Les quatre types de coquilles ont été utilisés pour produire quatre coulis différents. Le métakaolin a été entièrement remplacé par de la poudre de coquilles dans une formulation industrielle comprenant cénosphères, ciment et métakaolin. À l’état frais, l’ajout de poudre de coquilles a réduit le ''yield stress'', la viscosité plastique et la gélification, mesurés à température ambiante et élevée. À 85 °C et 18 MPa, les échantillons contenant des coquilles ont développé une résistance plus rapide que l'échantillon classique à base de métakaolin. À l'état solide, ces échantillons présentaient de meilleures propriétés élastiques et flexurales que l’échantillon classique, avec une conductivité thermique légèrement supérieure en conditions saturées. Ensuite, des bétons ont été formulés avec du ciment AAS et 100% d'agrégats de coquilles de Pecten Maximus. L’étude visait à remplir les vides dans les agrégats de coquilles avec un filler de calcite pour minimiser la quantité de ciment AAS. L’objectif était d’atteindre une classe de béton C30/37 avec 410 kg/m³ de ciment, en variant le rapport eau-ciment (e/c). La résistance a été atteinte avec des rapports e/c de 0,35 et 0,30. Les propriétés à l'état frais ont également été analysées pour optimiser la formulation finale du béton pour de futures études. Enfin, un mortier de réparation a été formulé avec du ciment AAS et 100% de sable de coquilles de Crassostrea Gigas. Ce mortier est destiné au rejointoiement des structures portuaires en Nouvelle-Aquitaine, France. Différents mortiers, à rapports e/c variables, ont été comparés à un mortier industriel utilisé localement. Les résultats ont montré que le mortier de C. Gigas présentait de bonnes propriétés de résistance à la compression, d’élasticité et d’état frais, le rendant conforme aux normes pour la réparation d’unités structurelles. En conclusion, cette thèse démontre la faisabilité de formuler des bétons et mortiers à partir d'agrégats de coquilles et de ciment AAS, ainsi que la possibilité de produire des coulis ultra-légers pour la cimentation de puits en utilisant des poudres de coquilles finement broyées.

Cementitious materials are among the most commonly used materials worldwide, making the construction industry a major consumer of natural resources like gravel and water. This overuse is causing rapid depletion of these resources. Moreover, the reliance on ordinary Portland cement (OPC) as the main binder in cementitious materials contributes to significant CO2 emissions. As the construction sector continues to grow, these issues will worsen unless sustainable alternatives are found. This thesis aims to explore innovative, environmentally-friendly cementitious materials that align with sustainable development goals. To address resource depletion, seashells were used as a sustainable alternative to natural aggregates. Composed mainly of calcium carbonate, seashells are available as waste and possess good mechanical properties, making them suitable for cementitious materials. Utilizing seashells can also reduce waste from the seafood industry. Shells from Crepidula Fornicata, Crassostrea Gigas, Pecten Maximus, and Pinctada Maxima were converted into different types of aggregates for various applications. To reduce CO2 emissions, clinker-free alkali-activated slag (AAS) cement, which uses industrial waste and cuts CO2 emissions by about 80% compared to OPC, was employed. Three distinct cementitious materials were developed for various industries. Firstly, ultra-lightweight grouts with densities around 1.2 specific gravity were created using finely ground seashells for geothermal well cementing. Four seashell-based grouts were made, replacing metakaolin in an industrial formulation. In fresh state, the inclusion of seashell powder lowered yield stress, plastic viscosity, and gel strength at both room and elevated temperatures. At 85°C and 18 MPa, the seashell-based samples exhibited faster strength development than the traditional metakaolin sample. In solid state, the seashell powders provided superior elastic and flexural properties, and the thermal conductivity of the slurries was slightly higher in saturated conditions compared to the traditional sample. Next, concretes were made using AAS cement and 100% seashell aggregates from Pecten Maximus. The goal was to minimize the amount of AAS cement needed by filling voids in the seashell aggregates with calcite filler, aiming for a C30/37 class concrete at a cement quantity of 410 kg/m³ and varying water-to-cement (w/c) ratios. The target strength was reached at w/c ratios of 0.35 and 0.30. Fresh state properties were also analyzed to select the best concrete formulation for further research. Lastly, repair mortar using AAS cement and 100% sand from Crassostrea Gigas shells was developed for repointing structures in a coastal harbor in Nouvelle-Aquitaine, France. Different mortars with varying w/c ratios were compared to an industrial mortar used by local authorities. The C. Gigas mortar demonstrated good compressive, elastic, and fresh state properties, making it suitable for structural repair according to standards. In conclusion, this thesis shows the feasibility of using seashell aggregates and AAS cement to produce concretes, mortars, and ultra-lightweight slurries for various industrial applications.